PIWI-interacting RNA在肺癌中的研究進(jìn)展

木其爾 張 偉 溫珍平

1 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué), 內(nèi)蒙古呼和浩特市 010059; 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)腫瘤醫(yī)院腫瘤內(nèi)科

癌癥已是僅次于缺血性心臟病的全球第二大死亡原因,很可能在2060年成為第一大死亡原因[1]。在2018年全球共有出1 800萬例新增癌癥患者,其中最常見的是肺癌,估計每年有200萬肺癌新病例[2]。肺癌、肝癌和胃癌是普通人群中三種最致命的癌癥,其中肺癌是其中預(yù)后最差的,5年生存率為10%～20%,生存期受發(fā)展階段的影響很大,最早階段和最新階段的5年生存率分別從92%～0%不等[3]。肺癌通常在晚期被發(fā)現(xiàn),自2011年以來,基于低劑量CT掃描的篩查已將肺癌死亡率降低了20%。然而,篩查的有效性受限于僅適用于重度吸煙者的高風(fēng)險人群[4]。已有各種生物標(biāo)志物作為非侵入性測試,可指示無癥狀人群中是否存在肺癌,通過細(xì)化肺癌風(fēng)險、對CT掃描陽性進(jìn)行分層和對中等風(fēng)險肺結(jié)節(jié)進(jìn)行分類,在改善肺癌的早期檢測方面具有巨大潛力[5]。盡管近年來在治療方面取得了飛速發(fā)展,但當(dāng)肺癌處于手術(shù)切除太晚期的階段時,它仍然是致命的。在中國,因為幾種不同的基因譜與肺癌相關(guān)：高EGFR突變率、低KRAS突變率和更多的HBV感染合并癥[6],靶向治療取得了豐碩的進(jìn)展。目前,有關(guān)免疫治療的藥物和方案激增,且效果斐然,相信未來更多的有關(guān)免疫治療的策略會被更多考慮。而且隨著越來越多的基因組分析方法的應(yīng)用和集成以及單細(xì)胞技術(shù)的出現(xiàn),前所未有地揭示了肺癌的發(fā)生、發(fā)展、擴(kuò)散和耐藥機(jī)制[7],使在分子水平進(jìn)一步研究肺癌機(jī)制和治療成為可能。

1 piRNA

1.1 piRNA的簡介 人類超過3/4的基因組能夠轉(zhuǎn)錄成RNA,但只有2%能最終編碼蛋白質(zhì)。那些不編碼蛋白質(zhì)的RNA被稱為非編碼RNA(ncRNA),基本上ncRNA可以根據(jù)長度分為長非編碼RNA(>200nt)和小非編碼RNA(≤200nt)[8]。小非編碼RNA(sncRNA)的發(fā)現(xiàn)及其在各種調(diào)節(jié)機(jī)制中的作用已使許多科學(xué)家從完全不同的方面研究細(xì)胞的功能原理。小非編碼RNA分子在重要過程中起關(guān)鍵作用,例如基因表達(dá)的共轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,DNA和組蛋白的表觀遺傳修飾等[9]。sncRNA可以分為幾個亞類,如microRNA(miRNA)、PIWI相互作用RNA(piRNA)、小干擾RNA(siRNA)、小核RNA(snRNA)、小核仁RNA(snoRNA)、小細(xì)胞質(zhì)RNA(scRNA)、轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)和核糖體RNA(rRNA)[10]人們已經(jīng)認(rèn)識到ncRNA在細(xì)胞活動和個體健康中具有重要意義。piRNA于2006年在哺乳動物系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)并正式定義為與PIWI特異性相互作用的小型非編碼RNA,其長度為26～31nt,與Argonaute蛋白的PIWI亞家族特異性結(jié)合(PMID：24429634)。迄今在各種生物體已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百萬個piRNA,其中在人類基因組中發(fā)現(xiàn)超過兩萬個piRNA基因,是數(shù)量最多但研究最少的小型非編碼RNA之一[11]。PIWI蛋白質(zhì)屬于RNA結(jié)合蛋白的PAZ-PIWI結(jié)構(gòu)域(PPD)家族,該家族由Argonaute和PIWI兩個亞家族組成PIWI,在1998年因其在生殖系干細(xì)胞進(jìn)化保守功能而首次被發(fā)現(xiàn)(PMCID：PMC317255)。在人類中,有四種人類PIWI蛋白：PIWIL1(也稱為HIWI)、PIWIL2(akaHILI)、PIWIL3(HIWI3)和PIWIL4(HIWI2)(PMID：30102404)。piRNA與PIWI蛋白形成的piRNA沉默復(fù)合物(piRISC),可參與調(diào)控靶序列,在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后降解或通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)座子的活性來控制其他基因的表達(dá)(PMID：34344990)。

1.2 piRNA的功能 目前,piRNA明顯的生物學(xué)功能是通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)和促進(jìn)轉(zhuǎn)錄物降解形成來抑制轉(zhuǎn)座子動員。piRNA在大多數(shù)真核生物的種系中高度表達(dá),其調(diào)節(jié)染色質(zhì)的功能主要發(fā)生是在胚胎發(fā)育過程中可調(diào)節(jié)活動元件的活性,對于生殖系完整性和干細(xì)胞發(fā)育必不可少[9]。這在哺乳動物生殖細(xì)胞中的研究得到了證明：piRNA在維持生殖系DNA完整性、抑制轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄和翻譯、參與異染色質(zhì)形成、表觀遺傳調(diào)控和生殖細(xì)胞發(fā)生等方面發(fā)揮重要作用。此外,piRNA促進(jìn)轉(zhuǎn)錄物降解的功能是通過指導(dǎo)PIWI蛋白切割靶RNA來促進(jìn)異染色質(zhì)組裝和甲基化DNA,其既可以為快速進(jìn)化的病毒和轉(zhuǎn)座子提供適應(yīng)性的、基于序列的免疫,又能調(diào)節(jié)保守的宿主基因(PMID：30446728),基于這些生物學(xué)功能,piRNA和PIWI蛋白對于維持種系細(xì)胞的基因組完整性非常重要[12]。因此,在發(fā)現(xiàn)piRNA以來,其研究長時間集中在種系細(xì)胞中的作用,但隨著研究領(lǐng)域的擴(kuò)展,許多證據(jù)也表明piRNA不僅可以作為轉(zhuǎn)座子沉默劑,而且它們在調(diào)節(jié)基因表達(dá)方面也起著至關(guān)重要的作用[13]。由于piRNA相關(guān)的研究仍相對不足,因此我們對piRNA的理解非常有限。不過隨著下一代測序領(lǐng)域的進(jìn)步,piRNA被發(fā)現(xiàn)在包括癌癥在內(nèi)的人類疾病中異常表達(dá),基于這些功能和異常的piRNA,特別是在腫瘤和生殖系統(tǒng)疾病中[14]。研究者認(rèn)為,piRNA參與腫瘤的發(fā)生并且與腫瘤的預(yù)后有關(guān),可用于早期診斷和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的治療靶點,有可能成為新的潛在治療點或有前途的新型生物標(biāo)志物(PMCID：PMC6330501)。

1.3 piRNA與腫瘤 piRNA是參與轉(zhuǎn)座子失活、染色質(zhì)調(diào)控和內(nèi)源基因調(diào)控的調(diào)節(jié)性小非編碼RNA,必須與PIWI結(jié)合才能發(fā)揮其調(diào)控作用,它們在癌組織中調(diào)節(jié)癌基因或腫瘤抑制基因的上游或下游發(fā)揮作用[15]。通過深度測序,與匹配的非腫瘤組織對比后,Huang等在乳腺癌中篩選出6個差異表達(dá)的piRNA,進(jìn)一步說明piRNA作為腫瘤標(biāo)志物的可能[16]。所以piRNA在腫瘤細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)移甚至治療中起重要作用,值得研究者進(jìn)行深入探索piRNA和腫瘤的關(guān)系。

2 piRNA與肺癌

PIWI是Argonaute的一個亞科,piRNA必須與PIWI結(jié)合才能發(fā)揮其調(diào)控作用[17]。目前的研究表明部分piRNA和PIWI在肺癌中顯著異常表達(dá),并參與癌癥的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移,可能成為潛在的診斷工具、預(yù)后標(biāo)志物和癌癥的治療靶點。

2.1 與肺癌發(fā)生相關(guān) piRNA參與肺腫瘤發(fā)生,這一觀點在Yupingei等[18]通過對人氣道細(xì)胞中piRNA和piRNA-Ls表達(dá)的研究,指出piRNAs/piRNA-Ls可能是一類新的分子,可能用作癌癥分類的生物標(biāo)志物以及治療靶點;而且它們意外發(fā)現(xiàn)piR-163能直接與蛋白質(zhì)磷酸化ERM結(jié)合并調(diào)節(jié)ERM功能。因為數(shù)據(jù)證明了piR-163和p-ERM在隨后反映細(xì)胞增殖、遷移和侵襲的功能活動中的動態(tài)相互作用,但其他因素可能涉及piR-L-163介導(dǎo)的影響未被考慮,需要進(jìn)一步的研究。此外,Katey S Enfield等[19]通過鑒定在該位點編碼的體細(xì)胞表達(dá)的piRNA,發(fā)現(xiàn)這些piRNA在肺癌可能起到調(diào)節(jié)靶基因甲基化的作用。因而推斷piRNA可能與肺腫瘤發(fā)生過程中該基因座甲基化模式的失調(diào)有關(guān)。但仍需要進(jìn)一步的研究來確定DLK1-DIO3基因座甲基化的失調(diào)是由piRNA還是由替代機(jī)制介導(dǎo)的。PIWIL1在干細(xì)胞增殖、胚胎發(fā)生、生長和發(fā)育以及多種生物體的分化和成熟中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[20]。此外,PIWIL1的高表達(dá)可能依賴于其啟動子DNA低甲基化而不是SMGs的突變。此外還揭示了PIWIL1可能是肺腺癌的表觀驅(qū)動基因,它促成了肺癌的惡性表型,并受DNA低甲基化的調(diào)節(jié),證實了PIWIL1在肺癌發(fā)生發(fā)展過程的重要性。

2.2 與肺癌診斷治療 piR-651可能成為潛在的腫瘤標(biāo)志物和治療靶點,這一結(jié)論在Yao等[21]的文章指出,他們檢測了piR-65對人肺癌細(xì)胞系致癌作用的影響。發(fā)現(xiàn)piR-651促進(jìn)了肺癌細(xì)胞系的高轉(zhuǎn)移特性。piR-35127在2017年第一次被Reeves等[22]發(fā)現(xiàn)在腫瘤組織中的表達(dá)下調(diào),并與RASSF1C呈負(fù)相關(guān);在正常肺細(xì)胞中piR-35127的過表達(dá)可顯著降低正常肺的增殖,表明它也在肺細(xì)胞生長中起作用;以此推測了piR-35127可能會成為新的肺癌診斷和治療靶點。piR-hsa-26925具有30個堿基對長度的轉(zhuǎn)錄-RNA序列(GAGGCGGGCATGACACAGCAAGACGAGAAG),piR-hsa-5444具有28個堿基對長度的轉(zhuǎn)錄-RNA序列列(TCCCAGACGGGGCAGCTGGCCGGGCGGA)[23]。Juan Li等[24]在2021年報道血清外泌體piR-hsa-26925和piR-hsa-5444可作為診斷肺腺癌的潛在生物標(biāo)志物。在肺腺癌患者的血清外泌體樣本中,piR-hsa-26925和piR-hsa-5444的水平顯著高于健康對照組。而且由它們組成的piRNA組在肺腺癌患者表現(xiàn)出更好的診斷性能。

2.3 與轉(zhuǎn)移和預(yù)后相關(guān) piR-has-57125[25]具有29個堿基對長度的轉(zhuǎn)錄-RNA序列(TCAAAAAATTTAAAATCAATAATGCTAGA)。Iben Daugaard等[23]檢測到piR-has-57125有顯著的差異,與非轉(zhuǎn)移性肺癌相比,它在轉(zhuǎn)移性肺癌中顯著下調(diào)。它移中顯著下調(diào)的結(jié)果強(qiáng)烈表明piR-hs-57125可能作為癌癥轉(zhuǎn)移的抑制劑發(fā)揮作用。PIWIL2是PIWI基因亞家族之一,現(xiàn)在被認(rèn)為與各種癌癥的不良臨床結(jié)果密切相關(guān),較高的PIWIL2表達(dá)水平可能預(yù)示癌癥患者的預(yù)后較差,并且其預(yù)后價值不受臨床病理學(xué)特征的顯著影響[26]。

3 總結(jié)

piRNA越來越受到研究者的關(guān)注,不僅數(shù)量巨大而且不只局限于生殖系細(xì)胞組織,在腫瘤組織以及其他體細(xì)胞組織中也都有表達(dá),與癌癥類型、臨床分期和淋巴轉(zhuǎn)移相關(guān)的piRNA的表達(dá)水平還存在個體差異,這使得對piRNA的研究極具挑戰(zhàn),所以將piRNA應(yīng)用到肺癌的研究無論發(fā)生機(jī)制或是臨床應(yīng)用都極具潛力。